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02/11/2026 14:37

Neuer Mikrolaser für Anwendung und Forschung

Stefanie Terp Stabsstelle Kommunikation, Events und Alumni
Technische Universität Berlin

Datenübertragung, autonomes Fahren und lichtbasierte Computer könnten profitieren

Ein innovatives Mikrolaser-Konzept auf Basis von sogenannten Oberflächenemittern (VCSEL) hat das Fachgebiet „Optoelektronik und Quantenbauelemente“ der TU Berlin unter Leitung von Prof. Dr. Stephan Reitzenstein entwickelt. Bei den neuen Mikrolasern handelt es sich um vertikal aufgebaute Laserdioden, bei denen die oberen, lichtreflektierenden Schichten zum Großteil durch ein in das Halbleitermaterial eingeätztes optisches Gitter ersetzt wurden. Auf diese Weise war es einerseits möglich, den Produktionsprozess der Laserdioden um fast die Hälfte der Zeit zu verkürzen. Andererseits steht mit dem Einätzen eines optischen Gitters ein Verfahren zur Verfügung, das in einem Produktionsschritt viele Dioden mit verschiedenen Laserwellenlängen herstellen kann. Die Ergebnisse wurden in Zusammenarbeit mit Forschenden der Universität von Łódź (Polen) erzielt und sind jetzt im Fachmagazin „Optica“ erschienen.

Sie sind bereits seit mehr als zwei Jahrzehnten im Einsatz: Laserdioden, die ihr Licht senkrecht zum Halbleiterchip abstrahlen, in dem sie sich befinden. Diese „VCSEL“ (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) können im Gegensatz zu Laserdioden, bei denen das Licht aus einer Seitenfläche austritt, den Laserstrahl sehr gut in einen Lichtwellenleiter einkoppeln. Grund hierfür ist die runde Geometrie mit einer kleinen Bauform, sowie eine gute Strahlqualität und Fokussierbarkeit. VCSEL werden deshalb zum Beispiel in großen Rechenzentren verwendet, wo sie die effiziente Informationsübertragung zwischen einzelnen Servern ermöglichen. Auch in Handys werden sie zur Gesichtserkennung eingesetzt.

Zeitersparnis für die industrielle Produktion
„Ein VCSEL besteht im Wesentlichen aus einer aktiven Schicht, in der die Lichtteilchen entstehen, sowie darüber und darunter aus Schichten von sogenannten Bragg-Spiegeln. Sie reflektieren das Licht immer wieder in die aktive Schicht zurück, damit es dort die Entstehung von weiteren Lichtteilchen anregt. Das ist der typische Laser-Effekt, der dazu führt, dass die Lichtstrahlen am Ende alle perfekt im Gleichtakt schwingen“, erklärt Stephan Reitzenstein. „Die oberen Spiegelschichten reflektieren das Laserlicht geringfügig weniger. So kann ein Teil des Laserstrahls austreten und genutzt werden.“

Die Forschenden haben nun einen Großteil der oberen Spiegelschichten durch ein feines Strichgitter ersetzt, das sie mit Hilfe eines lithografischen Verfahrens in das Halbleitermaterial ätzen. Durch Beugung der Lichtwellen am Gitter und ihre anschließende Überlagerung kann man ähnliche Effekte erzielen wie mit den aufwendig herzustellenden Spiegelschichten. „Der große Unterschied ist zum einen, dass wir nicht mehr so viele Halbleiterschichten nacheinander aufbringen müssen. Das ist ein langwieriger und teurer Prozess, der etwa zwölf Stunden dauert. Durch die Verwendung des Gitters sparen wir davon rund die Hälfte ein“, erklärt Niels Heermeier, der Erstautor der Studie. Diese Zeit- und Kostenersparnis sei für die industrielle Produktion ein wichtiger Faktor.

Unterschiedliche Laserdioden in einem Produktionsschritt herstellen
„Der noch wichtigere Vorteil des Strichgitters ist, dass hier in einem Produktionsschritt Laserdioden mit verschiedenen Ausgangswellenlängen auf einem Halbleiterwafer gleichzeitig gefertigt werden können“, erklärt Heermeier. Dazu werden beim Ätzverfahren mehrere geometrische Parameter des Strichgitters je nach Diode variiert: die Dicke der Gitterbalken, ihr Abstand zueinander sowie die Tiefe der eingeätzten Rillen dazwischen. „Diese Flexibilität haben wir beim Aufbringen der Spiegelschichten nicht, denn diese müssen auf dem gesamten Wafer aufwachsen und legen damit die Eigenschaften für alle Laserdioden einheitlich fest.“

Um die neuen Mikrolaser mit ihren individuellen Eigenschaften präzise fertigen zu können, ist eine extrem hohe Genauigkeit notwendig: Weniger als fünf Nanometer dürfen die Größen von ihrem Sollwert abweichen. Verglichen mit dem Abstand der Erde zum Mond von fast 400.000 Kilometern entspräche dies einer maximal zulässigen Abweichung von zwei Metern. Möglich wurde diese Leistung nur durch eine am Fachgebiet vorhandene, mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der TU Berlin beschaffte Elektronenstrahl-Lithografieanlage, die von den Forschenden jeweils in einem komplexen Prozess auf ihre Aufgabe hin angepasst werden muss.

Anwendung für Rechenzentren, Autonomes Fahren und optische Computer
Neben der Anwendung in Rechenzentren zur effizienten Signaleinkopplung in Glasfaserleitungen könnten die Mikrolaser auch für das sogenannte LIDAR-Verfahren (Light Detection and Ranging) verwendet werden, das Abstände mit Hilfe von Laserstrahlen misst und zum Beispiel beim Autonomen Fahren eine große Rolle spielt. Hier liefern Anordnungen mit Laserdioden verschiedener Wellenlängen – wie sie mit dem neuen Verfahren leicht hergestellt werden können – eine wesentlich bessere Auflösung.

Die neuen VCSEL-Dioden könnten auch ein wichtiger Baustein werden für die Hardware des sogenannten neuromorphen Rechnens mit optischen Prozessoren, die die Gruppe von Stephan Reitzenstein zusammen mit Kolleg*innen an den Universitäten Berkeley und MIT in Boston entwickelt. Diese Computer sind analog zum menschlichen Gehirn aufgebaut und arbeiten statt mit elektrischen Schaltkreisen mit optischen Bauelementen und Licht als Informationsträger. Meist kommt dieses Licht von einer Anordnung mehrerer Laserdioden auf dem optischen Chip. „Wichtig ist dabei, dass die Wellenlänge des Lichts aus den Laserdioden exakt gleich ist. Schon kleinste Abweichungen in der Herstellung können aber zu unterschiedlichen Wellenlängen führen“, erklärt Stephan Reitzenstein. Mit der neuen Methode wäre es möglich, nach Produktion des optischen Chips die Wellenlängen nachzumessen und dann durch nachträglich eingeätzte Gitterstrukturen exakt einander anzugleichen.

Auf dem Weg zur ultrakompakten Laserdiode
Auch für die Grundlagenforschung sind die neuen Mikrolaser interessant, denn durch einen Zufall konnten die Forschenden der kooperierenden Arbeitsgruppe in Polen in herkömmlichen VCSEL-Dioden erstmals den exotischen Quantenzustand eines „Bose-Einstein-Kondensats“ mit Lichtteilchen realisieren. Diese Phänomen lässt sich nun mit den neuen, einfacher einstellbaren Laserdioden genauer untersuchen.

„Der nächste Schritt wird sein, auch die unteren Spiegelschichten der neuen VCSEL-Dioden durch ein zweites Strichgitter zu ersetzen“, sagt Reitzenstein. Damit würde das Bauelement noch einmal kompakter und schneller zu produzieren sein. „Diese Aufgabe ist allerdings wesentlich komplexer, weil dann das Trägermaterial der Diode auf der Unterseite entfernt werden muss.“ Aus Sicht von Stephan Reitzenstein kommt deshalb dem neuen „Center for Integrated Photonics Research“ (CIPHOR) als zentraler Bestandteil des neuen Experimentalphysik-Baus auf dem Ost-Campus der TU Berlin eine besondere Bedeutung zu. Dieser wird ab 2028 entstehen und mit exzellent ausgestatteten Reinräumen neue Fertigungsmöglichkeiten eröffnen.

Zusätzliche Informationen:
Zu dieser Pressemitteilung steht Ihnen Bildmaterial zum Download zur Verfügung: https://www.tu.berlin/go239617/n83635/

Weitere Informationen erteilt Ihnen gern:
Prof. Dr. Stephan Reitzenstein
Fachgebiet „Optoelektronik und Quantenbauelemente“
Institut für Physik und Astronomie
Fakultät II – Mathematik und Naturwissenschaften
Technische Universität Berlin
Tel.: +49 30 314-79704
E-Mail: stephan.reitzenstein@tu-berlin.de

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Criteria of this press release:
Journalists
Information technology, Physics / astronomy
transregional, national
Research projects, Research results
German

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